Đồ án Kết Cấu Thép Cửa Van Phẳng

Ởđây chọn: h b 110cm,c 25mm h 115cm- Giàn ngang nằm trong phạm vi dầm chính không thay đổi tiết diện - Số giàn ngang nên chọn lẻ để các kết cấu như dầm chính, giàn chịu trọnglượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HÀ NỘI

BỘ MÔN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT CẤU THÉP

THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG BẰNG THÉP

CỦA CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

CHƯƠNG 1: TÀI LIỆU THIẾT KẾ :

 Bề rộng lỗ cống: Lo= 10,5 m

 Cột nước thượng lưu: Ho= 5,2 m

 Chiều cao cửa van: H= 5,5 m

 Cột nước hạ lưu: Hh= 0

 Cao trỡnh ngưỡng: = 0

 Vật chắn nước đáy bằng gỗ, vật chắn nước bên bằng cao su hình chữ P

 Vật liệu chế tạo van:

- Phần kết cấu cửa: Thép CT3

- Trục bánh xe: Thép CT5

- Bánh xe chịu lực: Thép đúc CT35đ

- Ống bọc trục bằng đồng

 Hệ số vượt tải của áp lực thủy tĩnh: nq= 1.2 và của trọng lượng bản thân: ng= 1.1

 Độ võng giới hạn của dầm chính: ; của dầm phụ (Tra bảng

4-1 trang 64-1 GT Kết cấu thép -ĐHTL

 Cường độ tính toán của thép chế tạo van lấy theo thép CT3 Bảng 1-5 trang 10Gíao Trình Kết cấu thép:

- Ứng suất pháp khi kéo nén dọc trục: Rk,n= 1490 daN/cm2

- Ứng suất pháp khi uốn: Ru= 1565 daN/cm2

- Ứng suất cắt: Rc= 895 daN/cm2

- Ứng suất ép mặt đầu: Remđ=2230daN/cm2

 Hệ số điều kiện làm việc: Đối với cửa van chính thuộc nhóm 1-4 m=0.72m



600

11



o

11



o

n

H×nh phèi c¶nh cöa van hai dÇm chính

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG THIẾT KẾ:

dầm phụ đỉnh, dầm phụ đáy và các dầm phụ ngang Áp lực từ hệ dầm phụ sẽ truyền lên

hệ giàn ngang ( đặt vuông góc với dầm phụ ) giàn ngang có sơ đồ mặt cắt hình 2.2 Cácgiàn ngang này tựa vào dầm chính nên sẽ truyền tải trọng cho 2 dầm chính và tải trọngcủa dầm chính sẽ được truyền lên 2 cột biên và các tải này được truyền lên các bánh xerồi cuối cùng truyền vào trụ pin

Theo phương thẳng đứng cửa van chịu trọng lượng bản thân, lết cấu đỡ trọng lượngbản thân này là hệ giàn

a2

7 6 2

 Xác định nhịp tính toán của cửa van:

- Chọn khoảng cách từ mép cống tới tâm bánh xe: c = 0.25 m

- Nhịp tính toán cửa van là: L = Lo+ 2c = 10,5 + 2 0.25 = 11 m

- Chiều cao toàn bộ cửa van: Hv = Ht + ∆=5.5 m

- Vị trí hợp lực của áp lực thủy tĩnh đặt cách đáy van một đoạn:

5, 21,733

t

H

 Chọn đoạn công xôn phía trên a1

- Theo yêu cầu thiết kế: a1 0,45 hv = 0,45.5,5=2,475 m chọn a1=2,45 m

- Để hai dầm chính chịu lực như nhau thỡ phải đặt cách đều tổng áp lực nước

- Vậy khoảng cách hai dầm chính là:

kN/mchọn tải trọng lớn hơn để tính toán nên qtt=82,368 kN/m

- Tải trọng phân bố đều tính toán:

7944, 02 1565

tc tc

q n p n

q p

khoảng 20-25% nên chiều dài dầm chính thực tế chọ bằng 80-90% giá trị tính toán Ởđây chọn: h b 110cm,c 25mm h 115cm

- Giàn ngang nằm trong phạm vi dầm chính không thay đổi tiết diện

- Số giàn ngang nên chọn lẻ để các kết cấu như dầm chính, giàn chịu trọnglượng có dạng đối xứng Ở đây bố trí 3 giàn ngang và 2 trụ biên

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :7

Tiết diện trụ biên của cửa van trên mặt thường có dạng chữ I Để đơn giản cấutạo chiều cao trụ biên thường chọn bằng chiều cao dầm chính

2.1.4 Giàn chịu trọng lượng (5)

Giàn chịu trọng lượng bao gồm cánh hạ của dầm chính, cánh hạ của giàn ngang,được bổ sung thêm các thanh bụng xiên có tiết diện là các thép góc đơn hoặc ghép

2.1.5 Bánh xe chịu lực

Để đóng mở cửa van cần bố trí kết cấu di chuyển cửa van bằng thanh trượt hoặcbánh xe chịu lực Bánh xe được bố trí ở mặt sau trụ biên, bánh xe bên và bánh xe ngượchướng nên dùng bánh xe cao su để giảm chấn động.:

2.1.6 Bánh xe bên

Để khống chế cửa van không bị dao động theo phương ngang và đẩy về phíatrước, người ta thường bố trí các bánh xe bên Đôi khi người ta kết hợp sử dụng bánh xechịu lực đồng thời làm bánh xe bên

2.1.7 Vật chắn nước

Vật chắn nước hai bên và vật chắn nước được sử dụng vật liệu bằng cao su bố trí

ở hai bên và dưới đáy cống dạng củ tỏi

2.2 Tính toán các bộ phận kết cấu van.

2.2.1.Tính toán bản mặt:

- Bản mặt được bố trí thành 4 cột giống nhau nờn chỉ cần tớnh cho một dóy cột Các ụdầm được tính toán như tấm hình chữ nhật chịu tải trọng phõn bố.Cú hai trường hợpxảy ra:

* Khi ô có cạnh dài > 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 2 cạnh Trườnghợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

0, 61 i bm

U

p a R

 

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (cm)

- b: Cạnh dài của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2)

* Khi ô có cạnh dài < 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 4 cạnh Trườnghợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

=

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2)

- : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số b/a

 Để tính toán ta lập bảng tính như sau:



bm



17.5 25 31.75 38.25 44.5 49.75

VII VIII

2.2.2 Tính toán dầm phụ dọc

Dầm phụ truyền lực lên giàn ngang Dầm phụ dọc được tính như dầm liên tụchoặc dầm đơn tùy thuộc cách bố trí dầm phụ Với cách bố trí dầm phụ dọc bằng mặt vớicánh thượng của giàn ngang, dầm phụ dọc được tính như dầm đơn, nhịp là khoảng cáchgiữa hai giàn ngang và chịu tải trọng phân bố đều có cường độ là:

qi = pibi = pi daN/cm2

Trong đó:

- at: Khoảng cách từ dầm đang xét đến dầm trên nó

- ad: Khoảng cách từ dầm đang xét đến dầm dưới nó

- pi: Áp lực thủy tĩnh tại trục dầm thứ i (daN/cm2)

188,03( )1565

yc U

y

xo x

3818, 42

17,16

x xn

y

xox

→ Như vậy chọn   3 cm c là hợp lý (Bội số của 2 mm)

→ Chiều cao của dầm chính: h = hb + 2 = 110 + 2× 3 = 116 cm

Khoảng cách trung tâm giữa hai bản cánh: hc = hb + = 110+ 3 = 113 cm

lực với dầm chính phải thỏa món các điều kiện sau:

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :13

b

1100.79140

b b b

1 5

1



b

b≤ 0.5(at + ad) = 0,5× (45 + 60) = 52,5 cm b≤ bc + 50 = 26+50×0,8 = 66 cm

b≤ 0.3L = 0,3×11 = 0,3.2,75 m = 82,5 cmVậy chọn b = 52,5 cm

* Kiểm tra lại tiết diện đó chọn xét đến phần bản mặt cùng tham gia chịu lực với dầm chính :

a/ Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện ghộp

Gọi yc là khoảng cách từ trục x (Trục quán tính chính trung tâm của tiết diện tínhtoán) đến trục x0 (Trục quán tính chính trung tâm của dầm I đối xứng)

Ta thấy: = 1167,41 daN/cm2 < 1,25.Ru = 1,25×1565 = 1956.25 daN/cm2

Vậy tiết diện dầm chính vừa chọn thỏa món điều kiện về ứng suất pháp Trong thiết kế

ta để dư ra khoảng 15% ứng suất để xét tới bản cánh của dầm chính cũn phải chịu trọnglượng bản thân của cửa van khi nó là thanh cánh trên và cánh dưới của giàn chịu trọnglượng

- Góc thoát nước:

0 0

2 0,5 0, 45 0,5.0, 26

0, 276 15, 42 301,16

Để tiết kiệm thép và để giảm bớt bề rộng rónh van nờn dựng dầm chính cú chiềucao thay đổi (Hình 8) Trong cửa van với yờu cầu giàn ngang khụng thay đổi nên điểmđổi tiết diện phải bắt đầu từ vị trí giàn ngang ngoài cùng ở hai bên.

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm lấy bằng:

ho = 0,6h = 0,6×116 = 69,2 cm(Thường được lấy bằng (0,4 0,5)h, trong đó h là chiều cao dầm chính giữa

nhịp)

→ Chọn h0 = 60 cm

c/ Kiểm tra ứng suất tiếp:

Kiểm tra ứng suất tiếp tại tiết diện đầu dầm chính tính như sau:

J

S Q



 max0 0 max 

Trong đó:

+ : Mô men quán tính của tiết diện đầu dầm

+ : Mô men tĩnh của tiết diện đầu dầm

Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện tại gối dầm

Ta có:



0 52,5.0,8.(66 0,8).0,5

5, 7 52,5.0,8 60.0,8 2.26.3

+ = 0.7 đối với hàn tay hoặc nửa tự động nhiều lượt.

+ : Mômen tĩnh của bản cánh tiết diện gối dầm với trục X

3845

h g x

c dh

R J

S Q h







2

1

0

0 max

b



2 1



0

c

S

+ : Mômen quán tính của tiết diện gối đối với trục X

+ : Cường độ của đường hàn góc (1045 daN/cm2) - Hàn tiên tiến

26

60

3 3

- Với khoảng cách giữa các giàn ngang là : 275 cm > 2 = 2× 110 = 220 cm → Phải đặtthêm các sườn đứng vào giữa các giàn ngang Như vậy khoảng cách giữa các sườn đứng

b b

M: Mô men lấy tại tâm của hình có cạnh là hb lệch về phía mô men lớn.

Đối với ô hình thang số 1,2 ta coi như là hình chữ nhật có chiều cao bằng chiều caotrung bình ở giữa ụ

Xác định các giá trị ứng suất:

+/ : Ứng suất pháp trung bình trong bản bụng dầm

= , với Q là lực cắt tại giữa ô kiểm tra

+/ : Ứng suất pháp tới hạn

Trường hợp tiết diện không đối xứng, lấy bằng 2 lần chiều cao vùng nén

+/ : Ứng suất tiếp tới hạn

b x

y J M

2 )(100 ) 1095

.025









60 25 275

494,94

506,25 368,75 231,25 81,25

520 382,5

254,38 123,75

110 110

91,25 72,5

36,04 149,3

(daN/cm 2 )

(daN/cm 2 )

(daN/cm 2 )

Hỡnh 7.12

P1

5

78

9

21

4

3P4

P3

P5P6

P2W1

W3

W5

W2W4

W6

W7

4

6 7

8 5

1

2 3

nH B9

- Tải trọng: Giàn ngang chịu tác dụng của áp lực nớc Biểu đồ

áp lực thủy tĩnh có dạng hình tam giác

Để xác định nội lực trong các thanh giàn ta phải đa tải trọng

về tác dụng vào mắt giàn Gọi các điểm nút là 1; 2; 3; 4; 5 ; 6 ứngvới các lực Pi

Xác định Pi theo nguyên tắc phân phối đòn bẩy, áp lực nớcphân bố giữa hai mắt giàn đợc chuyển thành lực tập trung Pi đặttại mắt giàn Để đơn giản, biểu đồ áp lực nớc đợc phân thành cáchình tam giác và hình chữ nhật (ở đây áp lực nớc phải nhân với

bề rộng B =3,6 m - khoảng cách giữa hai giàn ngang )

Ví dụ: Xác định P4

Wi – Diện tích hình số i vd:

2

2 23 2 23

1W1 h 0,5.37,125.1,35 25,062

W2 h 29,7W3 0,5 8,8

KiÓm tra l¹i:

b Xác định nội lực trong các thanh giàn

Giả thiết các thanh giàn liên kết khớp với nhau, sử dụng Phần mềm SAP2000

để xác định nội lực trong các thanh giàn Kết quả tính toán như bảng :

Ký hiệuthanhgiàn

Nội lực(KN)

Trạng tháichịu lực

Chiều dàithanh (cm)

8-9 54,94 chịu kéo 260

Ghi chu: (*)Ngoài lực dọc trong thanh giàn cũng chịu momen do chịu trực tiếp của áp lực nước

c Chọn tiết diện thanh giàn.

Chọn tiết diện thanh giàn và kiểm tra lại tiết diện chọn:

+/ Chọn tiết diện cho thanh cánh thượng (thanh chịu kéo lệch tâm )

Thanh cánh trên thường dùng tiết diện chữ I Thanh cánh thượng của giànngang ngoài lực chịu lực dọc (thường là chịu kéo) cũn chịu uốn do tải trọngngang trực tiếp của áp lực nước cho nên ta tính thanh cánh thượng như thanhchịu lực lệch tâm có kể cả phần bản mặt cùng tham gia chịu lưc

Chọn thanh 3-4 để tính toán với thanh có lực dọc N= 49,69 kN lớn nhất thanhcánh thượng.và chiều dài lớn: l34 = 130 cm

M

cm Ru

�-Gỉa thiết : Chọn tiết diện thanh cánh thượng là thép: I N022 để cùng chiềucao với dầm phụ dọc

2 34 max

8

l q

3

3 max

261, 2( )19,1

- Thoả mãn điều kiện về cường độ

Chọn thép IN022 cho tất cả các thanh cánh thượng

+) Chọn tiết diện thanh cánh hạ ( thanh chịu kéo trung tâm )

thanh 89 là thanh bất lợi nhất Vì thanh này có nội lực lớn nhất trong các

thanh cánh hạ

L89 = 2,6m , N89= 54,94 (kN)

- DiÖn tÝch yªu cÇu cña thanh chÞu kÐo:

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :23



x x x

l r

oy y y

l r

�

Kiểm tra tiết diện chọn:

- Theo ®iÒu kiÖn bÒn

mòn ( dùng thép có bề dầy ít nhất 6mm) Thanh 89 còn là thanh đứng của

dàn chịu trọng lượng nên cần kiểm tra bổ sung.Chọn thép góc 2L 63x6 cho tất cả các thanh cánh hạ

+) Chọn tiết diện thanh bụng ( thanh chịu nén trung tâm )

- Tính cho thanh bụng 4-8 thanh này có lực nén lớn nhất

N-48 = 137,07 (kN)

L4-8= 1,703(m)

+ Xuất phát từ điều kiện ổn định ta có :

y yc y

x x

x

l r

,

170,3

58,72 2,9

y y y

l r

- Vậy ta chọn thép góc 2L 63x6 , cho tất cả các thanh bụng

Tổng hợp các thanh thép được dùng trong giàn như bảng sau

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :25

n

R F

⇒100

λgt   

.93,1

.56,1428,7.22

28,

1

2 1

cm r

cm F

F cm

8mm r y  cm





Bảng Tổng hợp thép

Ký hiệuthanh giàn lọai thép

Trạngthái nộilực

5 Tính toán giàn chịu trọng lượng

Đỡ dầm chính có chiều cao thay đổi nên giàn chịu trọng lượng là một giàn gấp khúc,nhưng để đơn giản cho việc tính toán, ta coi là giàn phẳng có nhịp tính toán = nhịptính toán của dầm chính

a Xác định trọng lượng cửa van:

Xác định trọng lượng cửa van theo công thức gần đúng sau:

G =

0,71 0

.10.( )200

P L

với P=0,5.1,2.10.5,22.10,5=1703,52 kN

Gọi G1 là trọng lượng bản thân cửa van phân cho phần giàn chịu trọng lượng.

Để an toàn coi atr = af nên G1 = 0,5G

Trong đó :

atr, af là chiều dài khoảng mắt giàn ở phía trái và phía phải mắt đang xét;

G1 = 0.5 x 252,6= 126,3 KN

 Sơ đồ tính toán:

Giàn chịu trọng lượng thực tế không phải là giàn phẳng vì tiết diện dầm chính

có thay đổi từ đầu dầm ra giữa dầm, để đơn giản ta có thể coi là giàn phẳng, gốitựa của giàn tại vị trí cột biên, nhịp giàn là L = 11 m

 Tải trọng tính toán : trọng lượng G1 được đưa về các mắt giàn, trong đó:

 Xác định nội lực trong thanh giàn:

Dùng phần mềm SAP2000 để xác định nội lực trong các thanh giàn

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :27

Ký hiệu thanh

giàn

Chiều dàithanh (m)

Nội lực(kN) Trạng thái nội lực

 Chọn tiết diện và kiểm tra lại tiết diện đó chọn :

Thực tế chỉ cần tính thanh bụng đứng và xiên với hệ thanh cánh trên và dưới làbản cánh của dầm chính (miềm kéo)

Tính thanh bụng đứng phải kể đến ứng suất khi thanh đồng thời nằm trong giànngang đó tính ở phần trên sau đó tổng hợp lại để nằm trong giàn ngang đó tính

ở phần trên, sau đó tổng hợp lại để xác định ứng suất trong thanh

- Chọn tiết diện cho thanh bụng xiên:

+ Chọn tiết diện thanh xiên :

+ Tính toán với thanh 1-8

N1-8= 68,99 (kN)

 max302,7gh 400

Vậy tiết diện chọn đảm bảo điều kiện chịu lực

e Kiểm tra độ bền cho thanh cỏnh :

 Thanh cỏnh của giàn chịu trọng lượng bản thõn cũng là thanh cỏnh hạcủa dầm chớnh nờn ứng suất trong thanh cỏnh hạ của dầm chớnh dướibằng tổng ứng suất do ỏp lực thuỷ tĩnh (khi tớnh dầm chớnh) và ứng suất

do trọng lượng bản thõn (khi tớnh giàn chịu trọng lượng ) sinh ra ứngsuất trong thanh 87:

 Vậy tiết diện đú chọn là hợp lý

d/ Kiểm tra đọ bền thanh 37

Thanh 37 vừa là thanh đứng của dàn chịu trọng lợng vừa là thanh cánh hạ của giàn ngang Nhng dấu nội lực có dấu ngợc nhaunên không cần kiểm tra tiếp

2.2.5-Tớnh toỏn trụ bờn

a.

Xỏc định tải trọng tỏc dụng lờn trụ biờn:

Trụ biờn chịu kộo đồng thời chịu uốn nờn được tớnh như thanh kộo lệchtõm (Hỡnh 7.16) Chọn tiết diện chữ I Chiều cao bản bụng trụ biờn lấy bằngchiều cao bản bụng dầm chớnh tại đầu dầm Bề rộng bản cỏnh chọn đủ để bố trớbỏnh xe chịu lực, chọn Chiều dày bản cỏnh bằng chiều dày bảncỏnh của dầm chớnh Đường hàn liờn kết bản cỏnh và bản bụng dày 6 mm.Kớch thước tiết diện chọn:

x

x x

53,2616672

/

24622512

65.2,3912

3

cm h

J

W

cm J

+ Tải trọng từ các dầm phụ truyền lên trụ biên Pi chính là phản lực của cácdầm phụ truyền lên trụ biên (hình 7.17):

- n- hệ số vượt tải lấy bằng 1,1.

- hi -khoảng cách từ mặt thoáng tới dầm đang xét

- atr , ad - Khoảng cách từ dầm đang xét tới dầm trên và dầm dưới

- B- nhịp dầm phụ (Khoảng cách từ trụ biên tới giàn ngang).

- Kết quả tính toán ghi trong bảng

từ dầm chínhtruyền đến

- G: trọng lượng bản thân cửa van: G = 224,34 kN

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :31

2

2

i i

+ Ta có lực dọc trong mỗi trụ biên là: N=0,5G=0,5.242,98=121,5 kN (chưa xétđến lực hút Ph và các lực ma sát Vi).

+ Mômen lớn nhất là tại gối 1: Mmax = 27,33 Kn.m

 Kiểm tra điều kiện cường độ

a Tính bề rộng và đường kính bánh xe:

Tỉ số giữa đường kính và bề rộng bánh xe vào khoảng 3~5 Bánh xeđược chế tạo bằng thép đúc CT35L

Ứng suất trong bánh xe: nén con lăn

[ ]nén con lăn=120MN/m2: ứng suất cho phép khi

nén theo đường kính con lăn (MN/m2 )

x

D l

P

.



160 600

Dầm chính

Trụ biên Bánh xe Gối đỡ ống bọc trục

Trục bánh xe

Bản đệm

160

b.

Tớnh toỏn kớch thước của trục và ống bọc trục:

-ống bọc trục làm bằng đồng cú [s]cbt = 250 daN/cm2 Chọn khoảng cỏch giữahai đoạn của ống bọc trục cỏch nhau d = 20 mm, chiều dài của ống bọc trục c =

+ Kiểm tra ứng suất ộp cục bộ giữa trục và bản đệm

Bề dày của 2 bản thộp cố định đầu trục d = 20 mm

+ Kiểm tra ứng suất của trục :

SVTH :Nguyễn Quang Thanh Lớp 53C-TL1 Trang :33